循环流化床甲烷化反应器中体积缩小反应与流动和传质的内在耦合机制

Methanation of the syngas from biomass gasification is one of the key processes in the biomass-to-SNG technology. Circulating fluidized bed reactor turns to be suitable for the operation of methanation reaction with high exothermicity. The methanation reaction involves a reduction in the gas volumetric flow. Thus an exploration of the relationship between the reaction, hydrodynamics and mass transfer in the circulating fluidized bed reactor is very important for optimizing and scale-up of the reactor. In this research, experiments and simulations are both chosen for the study. And the investigation of the effect of reaction with a reduction in the gas volume on the fluidization characteristics in the circulating fluidized bed reactor is considered as the basis to decoupling the aforementioned relationship. The conversion and selectivity in the circulating fluidized bed reactor under different operating conditions will be tested in a lab-scale circulating fluidized bed methanation reactor, and the effect of methanation reaction on the two-phase hydrodynamics in the bed will also be monitored by several measuring techniques. Together with the ‘multi-scale visualization’ simulation results, reaction、hydrodynamics and mass transfer can be separately analyzed from both cluster scale and reactor scale. Accordingly, the aforementioned relationship can be properly achieved. This research can provide a theoretical basis for the optimization and scale up of methanation circulating fluidized bed reactor.

合成气甲烷化工艺是生物质气化制备天然气技术的关键环节之一，循环流化床由于其优异的传热传质性能有望成为潜在的甲烷化反应器。甲烷化反应是一个摩尔数减小反应，揭示循环流化床甲烷化反应器中的体积缩小反应与流动和传递间的匹配关系，是优化反应器运行和指导反应器放大过程中需要解决的关键问题。本课题拟以体积缩小反应对流化特性的影响为出发点，采用热态实验和数值计算相结合的方式对循环流化床甲烷化反应器进行研究：通过热态实验研究循环流化床甲烷化反应中不同操作参数下的反应转化特性，借助多相流测试手段明晰体积缩小反应对床内流动结构的影响，并依靠数值计算“多尺度可视化”特点，从颗粒聚团和反应器两个尺度层面分析反应器中的化学反应、流动和传质现象，进而获得三者间的内在耦合机制。本课题的研究将为循环流化床甲烷化反应器的优化与放大提供一定的理论基础。

摘要:利用生物质能作为电转气技术的碳源制备合成天然气，不仅可平抑可再生能源波动，还能加快减碳步伐，符合我国双碳政策。甲烷化过程为电转气技术的核心环节之一，开发高效、紧凑、低成本甲烷化工艺非常关键。循环流化床具有优异的传热传质特性，有望成为潜在的甲烷化反应器。甲烷化反应是一个摩尔数减小反应，揭示循环流化床甲烷化反应器中的体积缩小反应与流动和传递间的匹配关系，是反应器开发过程中需要解决的关键问题。本课题采用热态实验和数值模拟相结合的方式对循环流化床甲烷化反应器进行研究。研究结果表明：(1)对自主开发的高效甲烷化催化剂进行动力学评价时发现，甲烷化反应速率非常快，反应物转化主要受传质速率影响，循环流化床反应器中气固滑移速度高，气固接触效率高，可节省催化剂使用量；同时，高滑移速度避免了鼓泡流化床中出现的局部脱流现象。(2)体积缩小反应发生时，表观气速沿反应器轴向逐渐降低，提升管中固含率呈下稀上密分布，与常规分布相反；由于甲烷化反应反应速率极快，气流扫过颗粒聚团时，气速降低，不易将颗粒聚团打碎，导致颗粒聚团尺寸大幅提高、存在时间增长、相间传质速率显著下降。(3)固定其他条件不变，固含率增大时，颗粒循环量变化非常小，且随反应器尺寸增大时变化更小，在装置开启或变工况时，不易建立稳定工况，难以维持固含率和循环量一一对应关系，进而影响装置的稳定性和灵活性。针对此问题本课题提出了分段进料工艺，将产品气或副产水蒸汽从二次风进口送入到提升管中，通过调节二次风量，可匹配循环量和存料量的对应关系，还能降低颗粒聚团尺寸，提高气固接触效率。在循环流化床反应器研究基础上，本课题还对生物质能耦合电转气技术进行了工艺集成和优化，合理使用甲烷化过程反应热有助于提高工艺能效、促进生物质的高值化利用。